Механизация переработки молока в ОПХ "Экспериментальное" Зерноградского района Ростовской области с разработкой установки для пастеризации молока

3.4.2 Проектирование системы вентиляции цеха

Проектируемая система вентиляции рассчитана на производственное помещение цеха объемом 221 м³, в котором установлено 5 ламп по 100 Вт, а общая мощность электродвигателей технологической линии составляет 20,08 кВт. Так как в производственном помещении на одного человека приходится более двух квадратных метров площади, то влаго- и тепловыделения от работающих людей можно не учитывать.

Определим суммарные тепловыделения от электродвигателей работающего оборудования

где установленная мощность электродвигателей,

коэффициент, учитывающий использование электродвигателей, степень загрузки, одновременность работы, принимаем . Тогда

Суммарные тепловыделения от ламп освещения будут равны

где установленная мощность одной лампы, ;

количество ламп, установленных в цехе,

коэффициент, учитывающий использование ламп, принимаем

Тогда

Общие суммарные тепловыделения будут равны

Определим необходимый воздухообмен для удаления избыточной теплоты

где плотность,

удельная теплоемкость воздуха, с = 1 кДж/(кгС);

температура внутри помещения, С;

температура наружного воздуха, С.

Так как летом тепловые выделения достигают максимума и равны избыточным, то необходимый воздухообмен определяем для летнего периода, приняв С, С:

Кратность воздухообмена определим из формулы

где внутренний объем помещения,

Так как кратность воздухообмена то принимаем искусственную систему вентиляции.

Определим площадь вытяжных каналов

где скорость воздушного потока в приточном канале принимаем равной

Определим площадь приточных каналов

Определим количество вытяжных каналов



где внутреннее поперечное сечение одного вытяжного канала, принимаем каналы / 3 /.

Принимаем 1 вытяжной канал. Чтобы увеличить скорость приточного воздуха и улучшить его перемешивание с воздухом помещения, сечение приточных каналов следует делать на 30 - 40% меньше чем у вытяжных труб, а их количество в 2 - 3 раза больше. Определим количество приточных каналов при рекомендуемом внутреннем сечении , /3/.

где внутреннее поперечное сечение одного приточного канала.

Принимаем 3 приточных канала. Определим производительность вентилятора по формуле:

где коэффициент запаса, Принимаем



Определим диаметр воздуховода по формуле

где скорость движения воздуха в воздуховоде, .

Принимаем

Принимаем

Определим давление вентилятора

где динамическое давление, Па;

потери давления на трение, Па;

потери давления от местных сопротивлений, Па.

Определим потери давления на преодоление сил трения

где коэффициент сопротивления движению воздуха, Принимаем

длина воздуховода. Принимаем

Определим потери давления от местных сопротивлений

Тогда

Определим мощность электродвигателя для привода вентилятора

где коэффициент запаса, Принимаем

КПД вентилятора, Принимаем

КПД передачи,

При , полученную мощность двигателя увеличивают на 50%.

где коэффициент запаса мощности.

Согласно приложения 16 / 4 / принимаем осевой вентилятор типа ВО - ВО4МУЗ с установленной мощностью 0,25 кВт.

3.4.3 Проектирование системы отопления цеха

Рассчитаем систему отопления цеха по первичной обработке и переработке молока. Исходные данные к проектированию: наружный объем здания ; площадь отапливаемого помещения ; высота помещения

Количество теплоты, необходимое для поддержания требуемой температуры определяем из уравнения теплового баланса:

где общие тепловые потери, Вт;

количество выделяемого тепла, Вт.

Общие тепловые потери будут равны:

где - тепловые потери через ограждения здания, Вт;

- количество тепла, уносимого потоком воздуха при вентиляции, Вт.

Тепловые потери через ограждения здания определяются по формуле

где - удельная тепловая характеристика здания (для цеха по первичной обработке и переработке молока принимаем С), С;

- наружный объем здания, м³;

- температура внутри помещения;

- температура наружнего воздуха в зимний период (для Ростовской

области °С, ), °С.

Количество тепла, уносимое потоком воздуха при вентиляции, определим по формуле:

где - удельные потери тепла на подогрев воздуха (принимаем

°С), °С /2/.

Все потери тепла должны компенсироваться теплоотдачей от

нагревательных приборов, которая определяется по зависимости:



где - теплоотдача нагревательных приборов, Вт;

- теплоотдача атмосферного воздуха в цехе, Вт;

- теплоотдача от поверхности оборудования, Вт;

- теплоотдача от обслуживающего персонала, Вт.

Теплоотдача от атмосферного воздуха определяется по формуле:

где масса воздуха в помещении цеха;

- массовая теплоемкость воздуха );

температура воздуха помещения, которую необходимо создать в цехе по переработке ),.

Масса воздуха в помещении определяется по формуле:

где плотность воздуха (при , ), кг/м³.

тогда

Теплоотдачу от поверхности оборудования определим по формуле:

где коэффициент теплопередачи (при C, C)),

C);

площадь поверхности оборудования, передающего тепло в воздух,

;

температура поверхности (C),C;

температура воздуха в помещении (C),C.

Определяем количество тепла, поступающего от обслуживающего персонала цеха по формуле:

где количество обслуживающего персонала (), чел;

норма выделения тепла одним человеком , Вт

Отдача нагревательных приборов равна:

.

Определим суммарную поверхность нагревательных приборов по формуле:

где средняя температура теплоснабжения в приборе (C), C;

нагревательный коэффициент на количество секций в радиаторе,

();

нагревательный коэффициент, учитывающий остывание воздуха в

трубах, ();

нагревательный коэффициент, учитывающий остывание воды в

трубах, ();

нагревательный коэффициент, учитывающий схему присоединения радиатора, ().

Определим поверхность одного нагревательного прибора по формуле:

где площадь одной секции (), ;

количество секций в одном приборе (принимаем ), шт.

Число нагревательных приборов определим из выражения:

Принимаем 5 нагревательных прибора. В качестве нагревательных приборов используем чугунные радиаторы М - 140.

3.4.4 Проектирование системы освещения цеха

Освещенность помещений - важный фактор микроклимата. При оптимальном освещении у рабочих увеличивается работоспособность, не ухудшается состояние здоровья, связанное со зрением.

Естественное освещение оценивается световым коэффициентом K, выражающим отношение площади оконных проемов к площади пола помещения.

Для человека уровень естественной освещенности составляет

Расчет естественного освещения

Расчет сводится к определению размеров окон и их количества. Для проектирования помещения принимаем боковое освещение.

Площадь оконных проемов помещения можно выразить из соотношения:

где площадь оконных проемов, м².

Рекомендуются следующие размеры оконных проемов:

Тогда число окон в помещении составит:



где площадь одного окна.

Принимаем

Принимаем также 3 окна с меньшими размерами

Расчет искусственного освещения

Расчет сводится к определению числа ламп в помещении, выбору типа светильников, определению высоты их подвеса, схемы размещения.

Принимаем для общего освещения светильники типа ПУ - 100 с высотой подвеса Ц_п=3,0 м.

Общую световую мощность, необходимую для освещения помещения определим по формуле

где удельная световая мощность, .

Принимаем лампочки мощностью каждая.

Тогда число ламп, необходимых для освещения помещения будет равно

Принимаем

Дополнительно принимаем еще 3 лампы мощностью по 100 Вт каждая, для обеспечения достаточного уровня освещенности в подсобных помещениях.

Соотношение между высотой подвеса светильников и расстоянием между светильниками выражается формулой:

3.4.5 Проектирование системы канализации

Под канализацией понимается комплекс оборудования, сетей и сооружений, предназначенных для организационного приема и удаления по трубопроводам за пределы предприятия загрязненных сточных вод, а также для их очистки и обезвреживания перед утилизацией или сбросом в водоем.

Внутренняя канализация служит для приема сточных вод в местах их образования и для отведения за пределы здания в наружную канализационную сеть. Наружная канализация предназначена для транспортирования сточных

вод за пределы населенных пунктов на очистные сооружения.

Расчет канализационной сети

Диаметр трубопровода вычисляют из формулы постоянства расхода по расчетному расходу сточных вод q, задаваясь экономичными скоростями течения .

Формула постоянства расхода

где: скорость течения потока в канализационной сети. Принимаем

площадь живого сечения потока.

Тогда

Откуда

Согласно приложению 13 /5/ принимаем среднегодовое количество выпускаемых в водоемы сточных вод 4 м³/ч.

Принимаем диаметр труб внутренней канализационной сети равным

Определим гидравлический уклон потока

где коэффициент сопротивления;

гидравлический радиус, равный .

Коэффициент сопротивления определяем по формуле:

где коэффициент шероховатости, применяется равным .

Принимаем

показатель степени, зависящий от значения коэффициента шероховатости и гидравлического радиуса.

4. Конструкторская разработка установки для пастеризации молока

4.1 Обзор существующих средств пастеризации молока

Пастеризация молока и молочных продуктов получила широкое распространение во всех странах мира. Она позволяет значительно повысить сроки хранения и реализации продукции. Применяемые для этой цели пастеризаторы можно подразделить прежде всего по способу воздействия на молоко: косвенного и прямого теплового воздействия (рис. 12). Самую большую группу аппаратов косвенного воздействия на молоко представляют тепловые пастеризаторы. В них нагрев молока производится промежуточными теплоносителями. В роли таких теплоносителей чаще всего используются горячие жидкости (в основном, вода и водные растворы солей), водяной пар, топочные газы и горячий воздух.

Другую группу пастеризаторов косвенного воздействия на молоко составляют электрические аппараты. По способу передачи тепла молоку они делятся на элементные и индуктивные.

Аппараты прямого воздействия на молоко осуществляют нагрев его без промежуточного теплоносителя. К ним относятся устройства для нагрева молока путём инфракрасного или ультрафиолетового облучения его, в поле сверхвысоких частот (СВЧ), а также электродные и гидродинамические пастеризаторы.

Среди этой группы пастеризаторов особый интерес представляют гидродинамические пастеризаторы из-за компактности всей установки, простоты непосредственного преобразования энергии вращения ротора в тепловую для нагрева молока и достаточно высокого КПД процесса пастеризации.

Известные конструкции гидродинамических пастеризаторов и нагревателей жидкости можно подразделить по способу нагрева жидкости: на кавитационные, жидкостного трения и аппараты, использующие для нагрева не только трение жидкости, но и турбулизацию потока. Среди них в молочном животноводстве нашли применение, в основном, гидродинамические пастеризаторы третьего типа.

И, наконец, все пастеризаторы и пастеризационные установки разделяются на ёмкостные и проточные. В ёмкостных пастеризаторах процесс работы цикличен, из-за чего они имеют низкую производительность. Предпочтительнее во всех технологических процессах обработки и переработки молока использовать проточные пастеризаторы, которые позволяют сократить количество и продолжительность технологических операций.

Простейшими устройствами для пастеризации молока являются ванны длительной пастеризации его. Они применяются для длительной пастеризации мо-лока с выдержкой в течение 30 минут при температуре 63…65 °С, а также подогрева молока до 35…40 °С перед сепарированием. Среди конструкций ванн чаще применяются двустенные водяные ванны длительной пастеризации (ВДП) ем-костью 300 и 600 л (рис. 13).

Рисунок 13 - Ванна длительной пастеризации молока с верти-кальной мешалкой: 1 - резервуар; 2 - цилиндр; 3 - мешалка; 4 -термометр; 5 - кронштейн; 6 - электродвигатель; 7 - редуктор; 8 - шарнир откидной крышки, 9 - кожух, 10 - молочный кран, 11 - трубка с паровым соплом

Внутри её вставлен медный резервуар 1, покрытый с внутренней стороны оловом. Межстенное пространство ванны служит пароводяной рубашкой. Заполнение резервуара молоком произво-дится через люк крышки, поворачивающейся вокруг шарнира 8. Выпуск его после пастеризации - через молочный кран 10. Вода в рубашку подается снизу из водопроводной сети и подогревается острым паром, поступающим через трубку 11 в дне цилиндра. Регулировка температуры воды в рубашке производится количеством поступающего пара. В процессе работы ванны излишки горячей воды из верхней части рубашки вытекают в открытую переливную трубу.

В таблице 17 приведена техническая характеристика ванн ВДП.

Таблица 17 Техническая характеристика ванн длительной пастеризации

Показатели	Величина показателей для ванн ёмкостью (л)
	300	600
Поверхность нагрева, м2	2,0	3,2
Расход пара, кг/ч	40	75
Ёмкость водяной рубашки, л.	100	120
Число оборотов мешалки, мин	120	60
Мощность электродвигателя, кВт	0,25	0,25
Внутренний диаметр ванны, мм	800	1080
Габаритные размеры, мм:
длина	1200	1800
ширина	950	1230
высота	1275	1430

Для подачи молока в ванну и откачки его после пастеризации рядом с ней устанавливается молочный насос.

Однако недостаточная производительность ванн длительной пастеризации, цикличность процесса и возможность размножения некоторых видов микроорганизмов в молоке (термофилов) вызвали необходимость сокращения длительности пастеризации и повышения температуры. В механизации животноводства во всех странах мира наибольшее распространение получи-ли паровые пастеризаторы и пастеризационные установки, осуществляющие обработку молока поточно в тонком слое. К ним относятся паровые пастеризаторы с вытеснительным барабаном, пластинчатые и трубчатые пастеризационно-охладительные установки.

Паровой пастеризатор непрерывного действия представлен на рис. 14.

Рисунок 14 - Паровой пастеризатор ОПА-2 с вытеснительным барабаном: 1 - лопасти барабана, 2 - цилиндр, 3 - резервуар, 4 - барабан, 5 - спиральные ребра барабана, 6 - электродвигатель, 7 - клиноременная передача на вал барабана, 8 - молочный патрубок, 9 - приводной вал, 10 - опорная стойка вала

Он имеет утеплённый цилиндрический корпус 2 с коническим резервуаром 3, внутри которого с небольшим зазором размещён вращающийся на валу 9 вытеснительный барабан 4. Сбоку на этом барабане имеются спиральные рёбра 5, а на верхней поверхности - лопатки 1 для вывода молока из пастеризатора.

Молоко снизу через приёмный бачок поступает в зазор между вращающимся вытеснительным барабаном и коническим резервуаром 3, захватывается спиральными рёбрами 5 барабана и подаётся тонким слоем вверх. Поступающий в паровую рубашку корпуса 2 пар быстро нагревает молоко до температуры пастеризации (80…90 ^оС), после чего оно выводится под напором в выпускной патрубок. В этих пастеризаторах питательная ценность молока несколько снижается, так как не исключается доступ в них атмосферного воздуха.

В пластинчатых пастеризационных установках поток молока прогоняется между пластинами из нержавеющей стали. Они с тыльной стороны нагреваются горячей водой. Молоко здесь нагревается до 72 ^оС и выдерживается при ней в течении 15 секунд. Регулированием расхода молока через пастеризатор гарантируется удовлетворительная пастеризация продукта.

Пастеризационно-охладительная установка пластинчатого типа обычно имеет уравнительный бак с клапанно-поплавковым устройством для регулирования уровня молока в баке, центробежный насос для молока, пластинчатый аппарат, сепаратор-молокоочиститель, выдерживатель, возвратный клапан, центробежный насос для горячей воды, паро-контактный нагреватель для нагрева воды и пульт управления.

Пластинчатый аппарат - основная часть пастеризационно-охладительной установки. Большим его преимуществом перед другими пастеризаторами считается то, что он имеет легко разборную, состоящую из отдельных сомкнутых элементов по-верхность теплообмена.

Состоит он (рис. 15) из главной передней 3 и вспомогательной задней 9 стоек, между которыми на штангах 7 закреплены теплообменные пластины 15. По периферии каждой пластины в специальной канавке уложена большая резиновая прокладка 13, которая на лицевой стороне пластины огра-ничивает канал для соответствующего потока среды.



Рисунок 15 - Пластинчатый аппарат:

1, 2, 11, 12 - штуцера, 3 - передняя стойка, 4 - верхнее угловое отверстие, 5 - малая кольцевая резиновая прокладка, 6 - граничная пластина, 7 - штанга, 8 - нажимная плита, 9 - задняя стойка, 10 - винт, 13 - большая резиновая прокладка, 14 - нижнее угловое от-верстие, 15 - теплообменная пластина

Пластина имеет угловые отверстия 4 и 14, вокруг которых уложены малые кольцевые резиновые прокладки 5. Уплотнительные прокладки после сборки и сжатия пластин в аппарате образуют две изолированные системы герметичных каналов. В собранном аппарате теплообменные пластины группируются в секции, в результате чего осуществляются предварительное нагревание молока (путем рекуперации), нагревание до температуры пастеризации, предварительное ох-лаждение (путем рекуперации) и окончательное охлаждение. В аппарате мо-локо при его обработке движется через секции последовательно. В начале оно проходит секцию рекуперации I (рис. 16). Из этой секции осуществляется его вывод на очистку. Затем молоко попадает в секцию пастеризации II, вновь воз-вращается в секцию рекуперации 1 и далее поступает в секции водяного III и рассольного охлаждения IV.



Рисунок 16 - Схема движения молока, горячей и холодной воды, а также рас-сола в пластинчатом аппарате с односторонним расположением секции: а - в секциях и пакетах: I - секция рекуперации; П - секция пастеризации; Ш - секция водяного охлаждения; IV - секция рассольного охлаждения; б - в межпластинных каналах

Пластины имеют рифленую поверхность. Сомкнутые в секциях, они образуют извилистые каналы, двигаясь по которым потоки моло-ка, нагревающей и охлаждающей среды периодически изменяют направление. В результате этого в потоке, даже при небольших скоростях его движения, об-разуются завихрения, придающие потоку турбулентный характер. Турбулизация потока способствует повышению эффективности теплообмена между жидкостями.

В таблице 18 приведены технические характеристики распространенных типов пастеризационно-охладительных установок.

Таблица 18 - Техническая характеристика автоматических пастеризационно-охладительных установок

Наименование показателей	Марка установки
	Е4-ОКЛ-1	ОПУ-3М	А1-ОПК-5	ОПЛ-10
Производительность, л/час	1000	3000	5000	10000
Температура молока, оС: поступающего в аппарат пастеризации охлажденного	5…10 76…80 2…6	5…10 75…80 2…6	5…10 90…95 22…50	5…10 90…95 22…50
Коэффициент регенерации, %	85	87	87	60
Время выдержки молока, с	25	20	26	27
Потребление пара, кг/ч	58	140	230	500
Мощность привода, кВт	3,5	10	13	21,2
КПД установки, %	57	55	79	60
Занимаемая площадь, м2	6,5	11	18	16
Масса, кг	1100	1600	2500	3100
Удельная масса, кг/(л/ч)	1,1	0,53	0,5	0,31

Как видно из таблицы 18, потребление пара у пастеризационно-охладительных установок достаточно высокое, кпд их невысокий и, в основном, составляет 55…60%. Удельная масса установок дана без учета массы парового котла.

В трубчатых пастеризационных установках (рис. 17) пас-теризация молока и других жидких продуктов происходит в закрытом тонкослойном потоке при высоких скоростях. К ним относятся установки ПТУ-5М и ТПО-2,5.

Пастеризационная установка ПТУ-5М состоит из: пастеризатора ПТ-5М; двух центробежных насосов для молока; вихревого насоса для воды; автомати-ческого клапана возврата недопастеризованного молока на повторный нагрев; двух регуляторов РПД прямого действия; манометрического сигнального тер-мометра; двух конденсатоотводчиков; пульта управления бойлера и арматуры с трубопроводами. Она имеет две секции: нижнюю - водяную и верхнюю - паровую.



Рисунок 17 - Трубчатая пастеризационная установка:

а - общий вид, б - разрез цилиндра;

1 - цилиндр нижний; 2 - цилиндр верхний; 3 - конденсатоотводчик;

4 - электронасос цен-тробежный; 5,6,7 - молокопроводы

Трубчатые пастеризаторы предназначены для быстрого нагрева в закры-том потоке пищевых жидкостей различной вязкости. Трубчатые пастеризаторы имеют простую, легкую в обслуживании конструкцию. Отличаются большим потреблением пара, однако позволяют производить пастеризацию вязких мо-лочных и пищевых продуктов.

На рисунке 17 представлен трубчатый серийно выпускаемый пастеризатор марки ТПУ-2,5М. Он применяется также для подогрева молока перед сепарированием на масло-, сыродельных заво-дах и крупных сепараторных пунктах.

Основой установки является теплообменный цилиндр (рис. 17, б) с трубками для молока внутри него. В процессе нагрева молоко на-сосом подается в цилиндр и последова-тельно проходит по 16 трубкам длиной 1,2 м каждая с внутренним диаметром 27 мм. Нагрев молока осуществляется па-ром, который подается в межтрубное пространство, подача его регулируется вентилем.

Наличие секции для рекуперации и охлаждения молока позволяет экономить техно-логическое тепло и снизить у пастеризатора с рекуперацией тепла удельный расход пара.

Технические характеристики трубчатых пастеризационных установок приведены в таблице 19.

К достоинствам трубчатых пастеризаторов относятся: возможность получения высоких скоростей молока и работы под большим давлением его при температурах свыше 100°С, а также сокращение резиновых уплотнений.

Среди недостатков необходимо отметить высокую металлоемкость, большие габариты, необходимость значительного свободного пространства для чистки и мойки аппарата.

Для работы тепловых пастеризаторов используется преимущественно водяной пар. Горячий воздух и топочные газы применяются, в основном, в экспериментальных пастеризаторах.

Таблица 19 - Техническая характеристика трубчатых пастеризационных аппаратов

Показатели	Марка установки
	ПТУ-5 М	П8-ОПО-10	ТПО-2,5
Производительность, л/час	5000	10000	2500
Температура, °С: молока (начальная) пастеризации молока на выходе горячей воды	10 85…90 45…50 85…95	10 80…90 50…60	10 85 55 85…95
Расход пара на 1 т продукта, кг/час	72	150	25
Поверхность теплообмена, м2	4,5	9,0	7,9
Скорость молока в трубах, м/сек	2,9	2,4	2,9
Мощность электродвигателей, кВт	6,9	4	3
Масса, кг	750	670	700

Основной недостаток применяемых паровых пастеризаторов заключается в том, что для их работы нужен пар или горячая вода. Конструкция пастеризационной установки при этом усложняется, снижается КПД процесса пастеризации, а эксплуатация её затрудняется. Так, если учесть, что КПД парового котла составляет 75…80%, потери на транспортировку пара от котла - около 5%, то полный кпд процесса пастеризации и последующего охлаждения молока составит не более 50%. Не меньшую проблему в таких пастеризаторах представляет и образование накипи на поверхностях нагрева молока и в паровых котлах.

Аналогичные проблемы возникают и при применении электропастеризаторов.

Устранение этих недостатков возможно при приме-нении непосредственного нагрева жидкости без нагрева стенки.

Пастеризаторы прямого воздействия на молоко

В аппаратах прямого воздействия на молоко источником тепла для его пастеризации может быть электрический ток или гидравлическое сопротивление вращающейся жидкости.

Пастеризация за счет облучения молока нашла широкое применение в странах ЕС. К ним, в первую очередь, необходимо отнести актинизационные аппараты, в которых для нагрева молока используется инфракрасное излучение в интервале волн 2,9…3,2 мкм, а для обеззараживания - ультрафиолетовое излучение.

В нашей стране к таким пастеризаторам относится установка УПТ-10И-50 завода «Прогресс» (г. Ижевск). Производительность её 50 л/ч, потребляемая мощность 3 кВт, масса - 80 кг. Нагрев молока в ней осуществляется термолучевым способом за счёт инфракрасного излучения.

Больший интерес в науке и практике пастеризации молока вызывает сверхвысокочастотный нагрев его СВЧ полем с частотой выше 3000 МГц. При этом возможен одновременный нагрев всего объёма молока до высоких температур при коэффициента использования СВЧ энергии до 0,8.

Однако конструкции этих установок сложны, в их состав входят не только источник питания и преобразования подводимого тока в энергию сверхвысокой частоты, но и передающие, распределительные устройства, защитные, герметизирующие блоки и сложная система управления. Всё это исключает возможность применения их в условиях малых хозяйственных образований.

Возможна пастеризация молока и в электродных нагревателях. В них нагрев молока осуществляется непосредственно при прохождении тока между погруженными в него электродами. КПД таких нагревателей весьма высок - до 98 %. Однако использование их не безопасно, надёжность работы низка (срок службы не более 1 года). Эксплуатация их сопряжена с использованием электродов из дорогих материалов, образованием накипи на поверхностях нагрева молока, постепенным растворением электродов в молоке и ухудшением его качества.

4.2 Разработка проектируемого устройства для пастеризации молока

В дипломном проекте предлагается разработка гидродинамического пастеризатора молока. Гидродинамические пастеризаторы являются принципиально новыми устройствами для нагрева жидкости, в которых используется принцип прямого преобразования механической энергии привода в тепловую энергию молока. Благодаря этому температура стенок нагревателя всегда ниже температуры пастеризуемой жидкости. К тому же жидкость в пастеризаторе имеет высокую скорость, что устраняет образование на его внутренних стенках накипи, а сам процесс работы аппарата обеспечивает интенсивное перемешивание даже весьма вязких молочных продуктов.

Этот класс пастеризаторов подразделяется прежде всего по способу нагрева жидкости: за счёт кавитации, жидкостного трения, а также совместного трения и турбулизации потока.

Принципиальная схема предлагаемой экспериментальной пастеризационной установки представлена на рисунке 18. Установка содержит гидродинамический нагреватель 1, выдерживатель молока 4, пластинчатый теплообменник 9 и насосы 7 и 12 для подачи молока и холодной воды.

Главным элементом этой установки является гидродинамический нагреватель (рис. 19). Он имеет корпус 4, внутри которого расположен ротор 5 с небольшим зазором между ними. На границе контакта ротора с корпусом выполнены сквозные сверления 3 так, что на цилиндрических поверхностях обеих деталей нагревателя образуются полуячейки виде полуцилиндров на всю ширину ротора. Перегородки между соседними полуцилиндрами ротора и корпуса выполняют роль лопаток, расположенных с определённым шагом. В центре ротора имеется расточка 1, соединенная каналами 7 с ячейками 3. Ротор закрыт с обеих сторон крышками, в одной из которых имеются отверстие 9 для подачи молока в нагреватель и патрубок 8 вывода нагретого до температуры пастеризации молока, а в другой - выход для вала привода нагревателя от электродвигателя (на схеме не показан). Корпус и боковые крышки нагревателя имеют теплоизоляционное покрытие 2.

Кроме тепловых аппаратов (ГД нагревателя 1, выдерживателя 4, регенератора 9 и охладителя 10) пастеризационная установка (рис. 18) имеет бак для пастеризуемого молока, бак сбора пастеризованного молока и бак для воды (в составе холодильной машины). Имеются также краны 2, 3 и 5 регулировки подачи молока и автоматический клапан возврата молока на повторную пастеризацию.

Рисунок 18 - Схема экспериментальной пастеризационной установки:

1 - ГД нагреватель; 2, 3, 5 - краны; 4 - выдерживатель, 6 - приёмный бак; 7, 12 - насосы; 8 - автоматический клапан; 9 - регенератор; 10 - охладитель; 11 - бак для воды; 13 - бак сбора пастеризованного молока

Рисунок 19 - Схема ГД нагревателя молока: 1 -расточка ротора; 2 - утепление; 3 - ячейка; 4 - корпус; 5 - ротор; 6 - вал; 7 радиальный канал; 8, 9 - отверстия ввода и вывода молока

При работе пастеризационной установки молоко из приёмного бака 6 насосом 7 подаётся в секцию 9 пластинчатого регенератора, где оно предварительно подогревается горячим пастеризованным молоком, посту пающим из выдерживателя 4. Подогретое молоко подаётся в радиальные каналы 7 (рис. 19) ротора 5 гидродинамического нагревателя и наполняет ячейки 3. На молоко при вращении ротора осуществляется гидродинамическое воздействие лопаток ротора и корпуса. Здесь возникает сильная турбулизация потока и молоко подвергается многократно внутреннему трению, что обеспечивает диссипацию энергии вращения ротора в тепловую энергию молока.

Далее нагретое до температуры пастеризации молоко из ячей нагревателя через патрубок 8 (рис. 19) и автоматический клапан 8 (рис. 18) поступает в выдерживатель 4.

Горячее молоко после выдержки поступает на охлаждение в регенератор 9 тепла. Здесь оно охлаждается встречным потоком холодного молока по пути в гидродинамический нагреватель и переходит в секцию 10 пластинчатого аппарата, в которой происходит окончательное охлаждение его холодной водой из водо-охладительной установки или проточной артезианской. Охлаждённое молоко собирается в резервуар-охладитель 13 для хранения до оправки на молочный завод. В линии выхода горячего молока из гидродинамического нагревателя предусмотрен клапан 8 возврата на повторный нагрев, если температура его ниже установленной для пастеризации. Краны 2, 3 и 5 установки служат для регулировки подачи и напора молока.

3.4 Анализ работы пастеризационной установки с гидродинамическим пастеризатором

В нагревателе пастеризационной установки энергия привода ротора передаётся жидкости в условиях, когда средняя окружная составляющая скорости жидкости v_u в проточном канале меньше окружной скорости ротора (рис. 20). Ротор нагревателя в процессе работы засасывает молоко из подающих каналов и нагнетает его в проточную часть, из-за чего возникают продольные вихри. Далее полуячейки ротора и корпуса смыкаются и поток молока резко тормозится, скачком поднимается и давление в замкнутой в этот момент проточной части. Молоко дросселируется лишь через зазоры в зоне контакта ротора с корпусом и крышками. Потенциальный напор при этом расходуется частично на гидравлические потери в зазорах.



Рисунок 20 - Схема положения радиальных ячеек гидродинамического нагревателя при повороте ротора на угол

В ламинарном потоке сила трения параллельных слоёв жидкости в расчёте на один квадратный метр поверхности будет

где - усилие для преодоления внешнего трения;

- коэффициент динамической вязкости молока;

- изменение скорости при переходе от одной поверхности к другой

в пристенном слое;

- расстояние между этими поверхностями, где v меняется на ;

- градиент скорости по сечению пристенного слоя.

Рисунок 21 - Схематическое представление потока молока в каналах гидродинамического нагревателя.

Между двумя режимами течения в потоке будет критическая скорость (при числе Рейнольдса ):

где - линейный размер потока (диаметр канала или условный диаметр проточного ячеистого канала);

- гидравлический радиус его

и - площадь поперечного сечения и смоченный периметр канала;

- кинематическая вязкость молока.

Толщина пристенного слоя конечная и зависит от вязкости жидкости:

где - скорость на границе раздела ламинарного потока с турбулентным ядром.

Допустим изменение скорости потока в пограничном слое от 0 до v прямолинейным, тогда по формуле Ньютона для силы смещения слоёв вязкой жидкости получим выражение для определения удельной силы трения (или среза):

Но тогда

Имея ввиду, что средняя скорость в потоке а по /18/ , получим:

где - расход жидкости в канале;

- коэффициент потерь напора, для ламинарного течения

Таким образом, в худших условиях по нагреву будут находиться частицы молока пристенного слоя (в существующих пастеризаторах, наоборот, они прогреваются больше). Они же в меньшей мере участвуют в преобразовании механической энергии в тепловую.

Поведение потока молока в ячейках хотя и подчиняется этим закономерностям, но существенно отличается в моменты симметричного их совпадения с полуячейками корпуса (рис. 22). В этот момент поток в проточной части резко тормозится: лишь часть его дросселируется через боковые и радиальные зазоры.

Рисунок 22 Схема потока молока в проточной части нагревателя в момент совпадения полуячеек (лопаток).

На границе раздела ячеек корпуса и ротора возникает напряжение силы среза:

где - скорость замедления потока молока в корпусе по отношению к скорости его в проточной части ротора.

Таким образом, в этой части потока торможение его «стыковкой» лопаток ротора и корпуса увеличивает силы трения слоёв молока в 4 раза, что может интенсифицировать диссипацию механической энергии в тепловую.

Течение молока в проточной части гидродинамического нагревателя

При вращении ротора площадь поперечного сечения проточной части гидродинамического (ГД) нагревателя меняется.

На нагрев молока в пастеризаторе от начальной его температуры t_н до температуры пастеризации расходуется следующее количество тепла:

где - секундная подача молока в пастеризатор, кг/с;

- удельная теплоемкость молока, Дж/(кгК);

- коэффициент регенерации тепла вне ГД нагревателя.

Анализ этого выражения показывает, что чем выше коэффициент регенерации, тем меньше требуется тепловая производительность гидродинамического нагревателя. Затраты на него уменьшаются, но возрастают затраты на процесс регенерации тепла.

Секундная теплопроизводительность гидродинамического нагревателя зависит от диаметра D ротора, частоты его вращения и с учётом результатов исследований Ашуралиева Э.С. /18/ составит:



где и - константы линеализации коэффициента мощности ГД нагревателя в области температур t (в ^оС) молока (b=0,01; а=0,00008).

Выражения (75) и (76) позволяют определить параметры ГД нагревателя при заданной производительности пастеризационной установки.

Поток тепла в рассматриваемом ГД нагревателе, в отличие от паровых, распространяется от турбулентного ядра к периферии (к корпусу), нагревая его в меньшей мере, чем молоко. В турбулентном ядре температура молока соответствует температуре его пастеризации . Далее поток тепла проходит пограничный слой толщиной , стенку корпуса ГД нагревателя толщиной и нагревает окружающий воздух температурой (рис. 23).

Рисунок 23 - Схема теплопередачи через стенку корпуса нагревателя

Допуская равенство температур нагрева внутренней t₂ и внешней t₁ сторон корпуса ГД нагревателя (ошибка не более 1 % /18/)

получим выражения:

для отдачи тепла в воздух

для теплопередачи от молока к стенке корпуса пастеризатора



где - площадь поверхности ГД нагревателя, смоченной пастеризуемым молоком, м²;

- коэффициенты теплоотдачи от стенки корпуса в окружающий воздух и от пограничного слоя молока к стенке корпуса;

- продолжительность пастеризации, с.

Приравнивая (77) и (78), получим для температуры нагрева стенки корпуса выражение:

Снижение температуры на поверхности корпуса в сравнении с температурой пастеризации составляет от 6 до 9 градусов, в связи с этим температура корпуса ГД нагревателя при его работе достаточно высока.

Потери в окружающую среду составляют:

Тогда тепловой КПД гидродинамического нагревателя будет:

где

Расчёты и результаты лабораторных экспериментов показывают, что тепловой КПД гидродинамического нагревателя составляет 0,95…0,97. Это значительно выше, чем у широко распространённых паровых пастеризаторов.

Определение критерия пастеризации установки с гидродинамическим нагревателем

Степень завершенности пастеризации определяется критерием Пастера Pa /18/. Величина его безразмерна и выражает отношение фактического времени воздействия на молоко температуры пастеризации Т_ф ко времени Т_п её действия, достаточного для успешного завершения пастеризации (для подавления микрофлоры):

На рисунке 24 представлен упрощённый график изменения температуры молока в отдельных аппаратах пастеризационной установки. По этому рисунку молоко поступает сначала в противоточный регенератор (зона III), нагревается до температуры регенерации , далее постепенно нагревается в гидродинамическом нагревателе (зона I) до температуры пастеризации , выдерживается (зона II) при этой температуре в течении времени и идёт на вход регенератора (зона III), где охлаждается потоком встречного молока до температуры . Далее оно охлаждается водой в водяной секции охладителя.

Рисунок 24 Температурная схема пастеризации молока в установке с гидродинамическим нагревателем

При минимально допустимой температуре пастеризации (прямая AD рисунка) зона температур выше её является зоной подавления микрофлоры. Интегральный эффект температурного поля пастеризации находится в пределах от до и далее до точки D кривой температур в регенераторе. Зоны ниже линии AD в определении критерия Ра не участвуют и существенной роли в подавлении микрофлоры молока не играют.

Условием достаточной пастеризации молока в такой установке будет:

где - частные эффекты пастеризации в ГД нагревателе, выдерживателе и регенераторе. Допуская изменение температуры в пластинах регенератора линейным изменению площади охлаждения, можно записать для него:

где - текущая температура охлаждения молока в регенераторе в пределах до (60 C);

- площадь поверхности регенератора, в которой температура молока cнижается от - то же в пределах температур от

Время пребывания молока в регенераторе также пропорционально :

где - время пастеризации, соответствующие и .

Отсюда



По /18/ известно, что время выдержки T_п для полного подавления микрофлоры в молоке при температуре t его нагрева имеет вид:

Тогда для получим время пастеризации молока только за счёт регенератора:

Следовательно:

Для определения времени пребывания молока в выдерживателе известно выражение /18/:

Тогда для выдерживателя:

где - искомое время пребывания молока в выдерживателе.

Определим долю Ра, приходящуюся на гидродинамический нагреватель молока. Известна зависимость для определения секундной теплопроизводительности дисковых гидродинамических аппаратов /19/:



где - коэффициент мощности нагревателя;

- ширина ротора, м.

Коэффициент мощности зависит от кинематической вязкости молока, а следовательно и от его температуры. Предположим, что тогда уравнение теплового баланса нагревателя будет:

где и - масса и теплоёмкость нагреваемого молока;

- температура воздуха; и - площадь поверхности и коэффициент

теплоотдачи нагревателя;

В пастеризации молока участвует не вся мощность нагревателя, а только часть его в пределах температур от 60^о С до , тогда

Используя это выражение, можно определить критерий пастеризации нагревателя:

При найдём продолжительность пастеризации молока в нагревателе:



В соответствии с зависимостью (83) при расчёте критерия всей пастеризационной установки сначала исходя из заданной её производительности определяют доли Ра, приходящиеся на нагреватель и регенератор. Затем необходимо определить время выдержки молока в выдерживателе:

По нему принимается и вместимость выдерживателя:

где - производительность пастеризационной установки, м³/ч.

Конструкция лабораторной установки позволяла в процессе экспериментов изменять геометрические параметры ГД нагревателя сменой его ротора и корпуса, радиальные и боковые зазоры в нём, частоту вращения ротора, а также количество пластин регенератора и охладителя, расход молока и температурные режимы пастеризации.

Производительность ГД нагревателя определялась при одном и том же диаметре ротора, равном 153 мм в функции частоты его вращения и температуры пастеризации. В процессе каждого опыта пастеризационная установка выводилась на рабочий режим с заданной (одной и той же) температурой пастеризации и частотой вращения. Режим этот устанавливался степенью закрытия крана на выходном патрубке ГД нагревателя. В этом режиме установка работала в течении 10 минут, а затем производился замер расхода молока или его заменителя через ГД нагреватель за 15 минут его работы. Производительность нагревателя и установки в целом определялась по зависимости:

где - объём измеренной по показаниям расходомера части молока, прошедшей через ГД нагреватель за 15 минут, м³; - зачётное время опыта, t = 0,25 ч.

Каждый опыт проводился с трёхкратной повторностью.

Температура молока при разгоне нагревателя в первые минуты достаточно интенсивно повышается, а затем по мере снижения вязкости молока этот рост уменьшается и к седьмой минуте она достигает установленной температуры пастеризации. Продолжительность разгона ГД нагревателя на рабочий температурный режим пастеризации молока зависит, в основном, от частоты вращения ротора (рис. 26).

Рисунок 26 - График зависимости времени T вывода пастеризационной установки (разгона её) на рабочий режим от частоты вращения ротора

По данным рисунка 26 при низких частотах вращения ротора порядка 140 1/с длительность разгона установки составляет около одного часа. Увеличение её ведёт к снижению продолжительности разгона нагревателя, причём интенсивность этого снижения резко уменьшается в пределах частот вращения ротора 250 … 320 1/с. В этих пределах для исследуемого ГД нагревателя она составляет 6 … 8 минут. Теоретические данные длительности разгона нагревателя на рабочий режим пастеризации близки к экспериментальным, но меньше их на 5 ... 10 %, так как не учитывают потери тепла в окружающую среду.

Производительность ГД нагревателя и всей пастеризационной установки согласно теоретическим исследованиям зависит от свойств молока при температуре пастеризации, диаметра и частоты вращения ротора, а также от разности температур на выходе и входе в нагреватель.

Изменение производительности (подачи) одного и того же ГД нагревателя (D_р = 0,153 м, b = 0,04 м, _рад = 0,002 м) при постоянной частоте вращения ротора с сохранением установленной температуры пастеризации возможно изменением перепада температур на выходе и входе молока в него с одновременным изменением площади регенератора (табл. 20).

Таблица 20 - Зависимость рабочих характеристик пастеризационной установки при регулировке подачи молока в ГД нагреватель (теплоёмкость молока с = 3880 Вт/кгК).

Теплопроизводи- тельность нагревателя Qt , кДж/ч	Параметры ротора	tп С	t С	Производи- тельность M, т/ч	Площадь регенера- тора F, м2	Коэф. регене- рации
	Dp , м	щ, 1/с			теор.	экспер.
33670	0,153	283	75	10	0,87	0,82	6,9	0,861
33670	0,153	283	75	12	0,72	0,71	4,6	0,832
33670	0,153	283	75	14	0,64	0,60	3,2	0,800
33670	0,153	283	75	16	0,54	0,47	2,4	0,775
33670	0,153	283	75	18	0,48	0,42	2,1	0,746
33670	0,153	283	75	20	0,43	0,40	1,4	0,718
33670	0,153	283	75	22	0,39	0,38	1,1	0,690

Приведённые в таблице 20 данные показывают, что снижение подачи изменяет и коэффициент регенерации молока.

4.4 Расчет параметров пастеризационной установки

Определение необходимой температуры пастеризации

Процесс работы нагревателя пастеризационной установки сопровождается постоянным смешиванием подаваемого в него молока с находящимся в нём горячим молоком. Это существенно отличает его от известных прямоточных и противоточных пастеризаторов с промежуточным теплоносителем. Поэтому в нём практически невозможно выделить зону с подогревом молока до температуры 60 ^оС, достаточной для начала уничтожения микрофлоры.

В связи с этим необходимо сделать вывод о целесообразности подачи в нагреватель предварительно нагретого в регенераторе молока до температур не ниже 60 ^оС. В этом случае пастеризация молока в нагревателе будет происходить за время пребывания его в нём. Соотношение выдержки его в нагревателе и регенераторе может оказаться достаточным для завершения процесса пастеризации молока без применения выдерживателя, что может способствовать упрощению конструкции пастеризационной установки и снижению затрат на неё. Температура пастеризации для полного подавления микрофлоры должна составлять не менее 72 С /1/, поэтому она принята равной 75 С и поддерживалась постоянной путём регулировки подачи молока в ГД нагреватель с помощью крана на его выходном патрубке.

Пренебрегая некоторыми потерями тепла в окружающую среду через утеплённые стенки выдерживателя, получим на входе в регенератор температуру горячего молока порядка 75 С (рис.27).



Рисунок 27 - Блок - схема распределения температур молока в тепловых аппаратах пастеризационной установки.

Определение плотности и кинематической вязкости молока

Молоко представляет собой сложную систему, в которой сухие вещества растворены в воде, жир находится в состоянии эмульсии, белки - в коллоидной фазе, а молочный сахар и соли образуют молекулярную и ионную фазы. При динамическом и тепловом воздействии на него в пастеризационной установке с гидродинамическим нагревателем происходит не только изменение состава и структуры молока, но и его физико-механических свойств. По данным ряда исследователей /1/, плотность охлажденного до 5 °С молока перед пастеризацией составляла 1032 кг/м³ и постепенно снижалась по мере его нагрева. Плотность молока в пределах температур пастеризации (60…80 °С) составляла округленно 1000 кг/м³.

Более существенно при нагревании изменяется кинематическая вязкость молока /1/. Она достаточно резко снижается в интервале температур 5…40 °С и медленно - свыше 60 °С, то есть в пределах температур пастеризации. Зависимость кинематического коэффициента вязкости молока от температуры может быть представлена в виде следующей степенной функции:



В пределах температур пастеризации молока и сливок в гидродинамичес ком нагревателе (от 60 °С до 80 °С) эта зависимость с погрешностью до 5% может быть линеализована:

где b₁ и a₁ - размерные коэффициенты линеализации зависимости вязкости от температуры нагрева молока.

В соответствии с данными Красновой А.Ю. /1/ для молока b₁ =1,09·10^-6 м²/с, a₁=0,0065·10^-6 м²/с·°С. Тогда при температуре 75 °С:

Определение окружной скорости вращения ротора ГДН

По условиям бескавитационной работы ГД нагревателя принимаем окружную скорость течения молока порядка 20 м/с при диаметре ротора ГД нагревателя 153 мм.

Окружная скорость молока определяется по формуле:

где - радиус ротора ГД нагревателя, м;

- частота вращения ротора, об/мин.

Откуда частота вращения ротора:

Принимаем частоту вращения ротора ГД нагревателя 3000 об/мин.

Определение коэффициента регенерации тепла

Согласно /18/ с увеличением коэффициента регенерации площадь поверхности нагрева молока в регенераторе интенсивно растёт. Зона доступных значений в промышленных регенераторах не превышает 0,8. Далее рост F_р (площадь пластин регенератора) столь значителен, что его габариты и стоимость становятся неэффективными. Исходя из вышесказанного принимаем коэффициент регенерации тепла равным

Определение перепада температур на выходе и входе ГД нагревателя

Перепад температур определяется по следующей зависимости:

Отсюда

Принимаем

Определение коэффициента мощности привода установки

Согласно /1/ коэффициент мощности привода установки определяется по зависимости:

где - температура пастеризации, єС;

Определение потребного количества тепла в секунду для нагрева молока в ГД нагревателе производится по следующей зависимости:



где - секундная подача молока в пастеризатор, кг/с;

- удельная теплоемкость молока, Дж/(кгК);

- температура пастеризации, єС;

- температура охлажденного молока, єС;

- коэффициент регенерации тепла вне ГД нагревателя.

Теплопроизводительность ГД нагревателя при заданной подаче в установку будет равна:

где - производительность пастеризационной установки, кг/ч;

- коэффициент нагрева;

- тепловой КПД ГД нагревателя,

С учетом того, что . Принимаем

Затраты тепла на нагрев молока будут равны:

где - константы линеализации коэффициента мощности ГД

нагревателя в области температур молока;

- плотность молока, ;

- диаметр ротора ГД нагревателя, м;

- угловая скорость вращения ротора, об/мин.

Шина ротора нагревателя:

Принимаем

Определение мощности электродвигателя привода ГД нагревателя пастеризационной установки

где - КПД механических передач, .

Согласно таблице П1 /6/ принимаем электродвигатель асинхронный серии 4А, закрытый обдуваемый 4А132М2У3.

Площадь пластин регенератора равна:



где - коэффициент теплопередачи, Здесь коэффициент теплопередачи находится в пределах

Тогда количество пластин регенератора будет равно:

где - площадь одной пластины. Принимаем площадь одной пластины тогда

Принимаем количество пластин регенератора

Определим температуру регенерации молока:

Температура на выходе горячей стороны регенератора будет равна:



Определим площадь охладителя молока

где - коэффициент теплопередачи охладителя,

Количество ячеек ротора и суммарный объём их в ГД нагревателе составит:

где - диаметр ячейки ротора. По данным /1/ диаметр ячейки принят

- толщина лопатки ротора и корпуса,

Принимаем количество ячеек ротора ГД нагревателя штук.

Тогда



Продолжительности пребывания молока в ГД нагревателе будет равна:

где - суммарный объем пустот в роторе и корпусе ГД нагревателя,

Принимаем

Определим долю, вносимую в критерий пастеризации молока ГД нагревателем

где

- продолжительность пастеризации молока, с.



Тогда продолжительность пастеризации будет равна:

где - производительность пастеризационной установки,

Далее определим долю, вносимую в критерий пастеризации молока регенератором

и долю, вносимую в критерий пастеризации молока выдерживателем

Тогда длительность выдержки молока в выдерживателе будет равна



По ней вычисляем объем выдерживателя

Полученные данные обеспечивают заданный режим работы проектируемой пастеризационной установки.

4.5 Расчет клиноременной передачи

Привод ГД нагревателя осуществляется клиноременной передачей от электродвигателя с частотой вращения

Вращающий момент на валу ведущего шкива находим по формуле: